公斤手动焊接变位机的设计方案.docx
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公斤手动焊接变位机的设计方案
河南农业大学
本科生毕业设计V论文）
题目300公斤手动焊接变位机的设计
学院机电工程学院
专业班级机制07级2班
学生姓名王悦茏指导老师李慧琴
撰写日期：
2018年5月10日
摘要
在我国，焊接变位机已成为制造业的一种不可缺少的设备，在焊接领域把他划为焊接辅机。
近十年来，这一产品在我国工程机械行业，有了较大的发展，并获得了广泛的应用。
使用焊接变位机械可缩短焊接辅助时间，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度，保证和改善焊接质量，并可充分发挥各种焊接方法的效能。
300公斤手动焊接变位机正是当前众多焊接机械产品的一种，它通过一些机械传动机构，用来实现焊接工件的回转、倾斜，使得焊工操作的更加方便快捷，提高工作效率。
在本次设计中，参照设计数据和相关资料，首先选择机构和传动方式，确泄机构各个部分的传动功率、转矩和进行强度计算和校核，保证机构的合理性，使得设计出的装备能在给定年限内正常工作；然后对各个机构进行连接设计，画出结构简图；最后设计细节问题，画出总装图，保证产品的町生产性，便于规模化生产。
本次设计的主要内容是一个倾斜机构，采用了涡轮蜗杆机构，用来减小尺寸和实现传动机构的自锁。
整个机构简单可靠，操作方便。
关键词:
手动式焊接变位机；回转机构；倾斜机构；轴；齿轮；涡涡轮蜗杆
TheDesignOf300KilogramsManualWeldingShiftsMachine
Abstract
Weldingpositionerhasbecomeanindispensabledeviceofmanufacturingfieldinourcountry.ItisdividedintoAuxiliarymachinery.ThisproducthasgainedlotsofprogressandbeenaccesstoawiderangeofapplicationsinConstruetionmachineryfieldlastdecade.Itcannotonlyreduceauxiliarytimeinwelding,loutalsoimprovelaborproductivity.Theweldingpositionercanassureandimproveproductquality,andmakethemostofperformsneeofvariousweldingmethods.
300kgofmanualweldingpositioneriscurrentlyalargenumberofweldingmachineryproducts,whichbysomemechanicaldrivemechanismusedtoachievetheweldingoftheworkpiecerotation,tilt,makingtheweldingoperationfasterandmoreconvenient,improveworkefficiency.Inthisdesign,therefereneedesigndataandrelatedinformation,firstselecttheinstitutionsandthetransmissionmodetodeterminethebodypartsofthetransmissionpower,torqueandthestrengthcalculationandverificationtoensuretherationalityofinstitutionssothattheequipmentcanbedesignedinagivenperiodofnormalworkoandthenconnectthevariousagenciesdesignedtodrawthestrueturediagramoThefinaldesigndetails,todrawthetotalpicture,toensureproductmanufacturability,easeofscaleproduction
Thedesignofthemaincontentisatiltmechanism,usingthewormbody,toreducethesizeandachieveself-lockingtransmission.Theentireorganizationissimple,reliable,easytooperate
Keywords:
manualtypeweldingdisplacementsmachineRotaryorganization。
Tiltinstitutions。
AxisoGear。
wormgear
1
1.
1.
1.
1.
2
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3
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4
4.
4.
4.
引言1
1开发焊接变位机的意义和目的1
2焊接变位机目前的发展状况1
2.1国内焊接变位机的产品简介1
2.2国外焊接变位机的的产品简介2
手动焊接变位机总体方案设计3
1设计方案的确定3
2设计要求、技术要求3
3回转机构的确定3
4倾斜机构的确定3
5机构预期寿命估算3
倾斜机构设计4
1方案确定4
2倾斜力矩的计算42.1最大倾斜力矩4
2.2计算传动功率，确定传动比42.3传动比分配5
2.4选材5
2.5按齿面接触强度设计5
2.6计算接触疲劳许用应力5
2.7计算圆周速度v6
2.8计算载荷系数6
2.10计算弯曲疲劳应力7
2.11几何尺寸计算8
涡轮蜗杆机构设计8
1选择蜗杆传动类型8
2选择材料8
3按齿面接触疲劳强度进行设计8
T
4.3.1确定作用在涡轮上的转矩：
8432确定载荷系数K9
4.3.3确定弹性影响因素Ze9
Z
4.3.4确定接触系数卩9
4.3.5确定许用接触应力】代9
4.3.6计算中心距9
4.4蜗杆和涡轮的主要参数与几何尺寸10
4.4.1蜗杆10
4.4.2涡轮10
4.5校核齿根圆弯曲疲劳强度10
5倾斜轴的设计11
5.1选取轴的材料11
5.2初步估算轴的最小直径11
5.3轴上结构设计11
5.3.1根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
5.3.2轴上零件的周向定位12
5.4求轴上的载荷12
5.4.1V平面内倾斜轴轴受力分析13
5.4.2按弯扭合成应力校核轴的强度16
5.4.3校核倾斜轴的轴承16
5.4.4倾斜轴上键的校核16
6蜗轮轴的设计17
6.1选取轴的材料17
6.2初步估算轴的最小直径18
6.3.轴上结构设计18
6.3.1拟定轴上零件的装配方案18
6.3.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
6.3.3轴上零件的周向定位18
6・3・4求轴上的载荷19
6.3.5按弯扭合成应力校核轴的强度21
6.3.6校核倾斜轴的轴承21
6.3.7倾斜轴上键的校核22
7蜗杆轴的设计23
7.1蜗杆轴结构设计及各部分尺寸23
7.1.1蜗杆轴结构设计如图23
7.1.2确定蜗杆轴各段轴尺寸24
7.2蜗杆轴轴承的选择24
7.3蜗杆轴键的选择24
7.4蜗杆轴受力分析及校核24
7.4.1蜗杆轴受力分析24
7.4.2蜗杆轴强度校核28
7.4.3按弯扭合成应力校核轴的强度28
7.4.4蜗杆轴滑动轴承的选择29
7.4.5蜗杆轴键的校核30
8其它重要数据31
9结语32参考文献32致谢33
1引言
1.1开发焊接变位机的意义和目的
在焊接生产中，经常会遇到焊接变位及选择合适的焊接位置的情况，针对这些实际需要，我们设计研制了焊接变位机，它可以通过工作台的回转和倾斜，使焊缝处于易焊位置。
焊接变位机与焊接操作机配合使用，对以实现焊接的机械化、自动，提高了焊接的效率和焊接质量。
焊接变位机町以应用于化工、锅炉、压力容器、电机电器、铁路交通、冶金等工业部门的自动焊接系统。
在现在加工和制造过程中，焊接变位机已悄然成为一种不可缺少的设备，其作用越来越突出。
特别是近十年来，这一产品在我国工业机械行业有了很大的发展，获得了广泛的应用。
各种机械产品和机械设备的结构件大多数都很复杂，尤其是各种机械的主要关键部位，其焊接质量的好坏直接影响整机性能，而选择合适的变位机能提高焊接质量和生产效率，降低工人的劳动强度和生产成本，加强安全文明生产，有利于现场管理。
特别是入世的冲击，机械市场竞争将会越来越激烈，国内企业必须适应形势，通过焊接变位机等基础设备投入达到生产能力的革命。
因此，近年来焊接变位机得到国内工程机械行业的广泛共识，对着方面的投入都在加大。
1.2焊接变位机目前的发展状况
在我国，焊接变位机也已悄然成为制造业的一种不可缺少的设备，在焊接领域把他划为焊接辅机。
近十年来，这一产品在我国工程机械行业有了较大的发展，获得了广泛的应用。
就型式系列和品种规格而言，已问世的约有十余个系列，百余品种规格，正在形成一个小行业。
在国际上，焊接变位机包括各种功能的产品在内，有百余系列。
在技术上有普通型的，有无隙传动私服控制型的，产品的额定负荷范围，达到0.1KN-18000KN可以说，焊接变位机是一个品种多，技术水平不低，中、小、大发展齐全的产品。
下面对焊接变位机在国内外的发展状况作简要介绍：
1.2.1国内焊接变位机的产品简介
现在我国生产焊接变位机的的厂家已经不少，大都不成规模。
以变位机为主导产品发展起来的企业尚未形成。
天津鼎盛工程机械有限公司、无锡市阳通机械设备有限公司、长沙海普公司、威达自动化焊接设备公司等单位生产的变位机在国内占有较大市场。
到2000年，国内已开发的变位机产品约70余品种规格，以下简述这些变位机的基本型式，基本型产品发展了17个系列，主要为普通型，用于手把焊，此外，还有调速型、联控型〈PLG微机控制）和机器人配套型产品。
与机器人配套用的变位机，开发了十余个品种。
包括工位变换变位机〈不参与焊接），如立式双工位、四工位、八工位变位机，双座单回转式八工位和倾翻回转式双工位变位机等：
与机器人配套焊接变位机〈机器人外部轴），如倾翻-回转伺服传动式、双座单回转伺服传动式、多轴单回转伺服传动式等。
1.2.2国外焊接变位机的的产品简介一般来说，生产焊接操作机、滚轮架、焊接系统及其他焊接设备的厂家，大都生产焊接变位机；生产焊接机器人的厂家，大多生产与机器人配套的焊接变位机。
但是，以焊接变位机为主导产品的企业非常少见。
德国Severt公司，美国Aroson公司，我国天津鼎盛工程机械有限公司等，算是比较典型的生产焊接变位机的企业。
德国的CLOO、奥地利的IGM日本松下机器人公司等，都生产伺服控制与机器人配套的焊接变位机。
以下仅就变位机型式、第一主参数等做些介绍。
<1）德国Severt公司
该公司主要生产8种类型的产品，其中7种是焊接变位机。
每种型式的焊接变位机，按其功能讲，均包括基本型、调速型、CNC程控型和机器人配套型等4种产
品。
<2）德国LCOOS公司
德国LCOOS公司是国际上生产焊接设备的大型公司之一。
生产焊接机器人、焊机等产品，也生产作为焊接机器人外部轴的焊接变位机。
在我国，除可见到与焊接机器人系统配套进口的L型双回转式、倾翻-回转式和单回转式变位机外，还生产卧式单座单回转WPV立式单回转RR502以及各种多轴焊接机器人配套的变位机。
<3）美国Aroson公司
美国Aroson公司生产的焊接设备有焊接变位机、操作机、滚轮架等，可称世界之最。
这个公司生产的焊接变位机主要类型为倾翻-回转式、倾翻-回转升降式、双
座双回转式、双座单回转式和双座单回转升降式，其承载能力范围为llKg〜1810
吨。
<4）日本松下〈Panasonic）公司日本松下公司也是机器人制造公司。
这个公司生产的机器人外部设备一焊接变
位机有12个系列。
他们把传动装置、机座、夹具体等做成了标准模块，集合而成这些产品系列，按轴数和结构型式分类。
2手动焊接变位机总体方案设计
2.1设计方案的确定
图2-1焊接变位机结构示意
2.2设计要求、技术要求
表2-1设计要求、技术要求
工作台
回转
工作台
倾斜
载重量
/Kg
回转速度
/r/min
倾斜速
度
/r/min
工作台尺寸/mm
重心高度
/mm
偏心距
/mm
匸作台倾斜角度/。
电机驱
动
手柄
300
0-1
o-l
©600
200
150
0-135
2・3回转机构的确定
由于工作台回转速度低，额定功率低，故可取手柄传动；因传动比比较大，并要求有自锁功能，故选择蜗轮蜗杆传动，选用一级齿轮。
2・4倾斜机构的确定
工作台的倾斜是为了使工件定位，其倾斜运动一般是电动机经减速器减速后通过扇形齿轮带动工作台倾斜。
因此次设计的载重量不是很大，故采用人工手柄带动，米用两级减速，蜗轮蜗杆减速及半圆齿轮机构，从而形成0-120的调速范
围。
2.5机构预期寿命估算
机构预期使用寿命为5年，由于变位机上面焊件不总是在全自动化条件下焊接
及安装和取放，即不是连续工作，则按运行时间按工作时间的50%计算。
以每天两
班制，全年工作300个工作日记则其使用寿命为53002850%=12000小时。
根据《焊接工装夹具及变位机械图册》初步设计焊接变位机简图，如图2-2所
/Jlo
——§如——
图2-2手动焊接变位机简图
3倾斜机构设计
3.1方案确定
倾斜机构是手柄经涡轮蜗杆减速器减速后通过扇形齿轮带动工作台倾斜。
减速器+扇形齿轮
3.2倾斜力矩的计算
3.2.1最大倾斜力矩
由力学知识分析知，最大倾斜力矩出现在:
pFin,!
:
:
二90。
时及:
二90。
:
-0°时
Mimax—G・hie‘二3009.8・200:
150:
—735000Nmm
3.2.2计算传动功率，确定传动比
0.97涡轮蜗杆传动，~°.43圆柱齿轮厂
432
二级传动总效率：
=一"0.97邙日
传动功
Mo-n二7350001n1如
955095000.42
323传动比分配
60
i总==60
1
总传动比
i3225
减速涡轮蜗杆1=齿轮减速卞二・
324选材
因为翻转速度不高，选用7级精度
大小齿轮均选用40CrV调质）,火焰表面淬火，硬度为280HRC选小齿轮齿数Z仁24,大齿轮齿数Z2=24X2.5=60
3.2.5按齿面接触强度设计
由设计计算公式V10-9&）进行计算，即
确定公式内的各计算数值试选载荷系数Kt二1.3
由表10-7选取齿宽系数a二0.5
1
查表10-6得材料的弹性影响系数Ze=189.8MPM
600MPa
由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限-心；大齿轮的接触疲劳
550
强度极限二宀‘二MPa
由式10-13计算应力循环系数
n1=60mjLh=601312000=2160000
2.5
取接触疲劳寿命系数Khx-i=1.5Khn2二1.34
3.2.6计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%安全系数S=l,由式V10-12）得
r1KhNIO*lim1
Kh\2;-lim2
计算
试算小齿轮分度圆直径dlt,代入中较小的值。
125.98=62.99mm计算齿宽与齿高之比-
3.2.7计算圆周速度v计算齿宽b=，d*=0.5
dit二叱2.63
mt=——模数24
1
齿高h=2.25mt=2.254.166=5.905mm
由表10-2查得使用系数Ka=1,由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承
门
1328
悬臂布置时〜〜・由h
3.2.9按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径
由式＜10-10a）得
KH355
2598二12773mm
dTf*31.3
计算模数m
按齿根弯曲强度设计
由式V10-5）得弯曲强度的设计公式为
V*d乙I屛］丿
确立公式内的各计算数值
由图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限“E.500MPa大齿轮的弯曲强度极限
二fe2=380MPa
由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数KfhKf「*U
3.2.10计算弯曲疲劳应力
取弯曲疲劳安全系数
S=1.4,由式（10-12>得
r1KFN1CTFE11.
16x500
“R仆
lcF）l
414.29MPa
s
1.4
r1KfN2GFE2
1.IV：
380
计算载荷系数K
K二KaKvKF：
KF1:
=1
1.121
1.42=1.5904
查取齿形系数
由表10-5查得YFal:
Y
二2.65；~・236
Y〃75
查取应力校正系数由表10-5查得Ysai二1.58；心4
计算大、小齿轮的Y吟并加以比较
YFaiYsai2.651.58
.二0.01011
>Fh414.29
YFa2Ysa22.2631.754
二0.01302
F12301.29
大齿轮的数值大
321.59046.876105
320.01302二3.67mm
设计计算194
对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数ni的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径V即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数5按接触强度算得的分度圆直径d八127'73mm
_di127.73
Zl25
m5
Z25
大齿轮齿数2=2.5=62这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足
了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。
3.2.11几何尺寸计算
计算分度圆直径cP=Z迪=255=125mm
d2=Z2m=625二310mm
ISoI3-lrQ
“gT—丰=2i7.5mm
计算中心距2计算齿轮宽度b=ddi=0.5125二62.5mm取B1=62.5mm,母二
67.5mm
4涡轮蜗杆机构设计
蜗杆转速80r/min,传动比i二32,使用寿命为12000小时
4.1选择蜗杆传动类型
根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆。
4.2选择材料
考虑到蜗杆传动功率不大，速度很低，故蜗杆用45钢；因希望效率高写，耐磨
性好些。
故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硕度为45-55HRC,涡轮用铸锡磷青铜
ZCuSnlOPl,金属模铸造。
为了节约贵重有色金属，仅齿圈用青铜铸造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。
4.3按齿面接触疲劳强度进行设计
根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。
由式V11T2）传动中心距
6pH
T2=9.55104*6——二9.55106
IZeZp
432确定载荷系数K
因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数
K，\由表11-5选取使用系数
qp05
Ka=1o由于转速不高，冲击不大，可取动载系数Kv1.；则
K=KaKKv=I11.05=1.05
4.3.3确定弹性影响因素Ze
因选用的是铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配，故
z八160MPa〃
Z
4.
3.4确定接触系数卩
Zp=2.9
4.3・5确定许用接触应力'7,
根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSnlOPl,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硕
度＞45HRC,可从表11-7中查得涡轮的基本许用应力W=268MPso
应力循环次数
80
N=60jn2Lh=60112000=1.8106
32
寿命系数
则
4.3.6计算中心距
I-Khnl（:
rHi-l.2391268MPa=332.07MPa
1602.9a_31.05295668mm=84.64mm
VI332.07丿
a二125m—5
故取中心距mm,从表11-2中取模数一mm,蜗杆分度圆直径
di50
0.4
d50a125
1=mmo这时。
从图11-18中可查得接触系数"264,因为
m,因此以上计算结果可用
4.4蜗杆和涡轮的主要参数与几何尺寸
4.4.1蜗杆
_15
轴向齿距Pa二.7°5mm；
q〃o
直径系数；
—…2hm—6
凶顶圆直彳仝dai=ala—°mmo
一…dn_dl2h_38
凶根圆直径—fl—mmo
分度圆导程角r=54238；
1sa=—jim=7.8538
2
蜗杆轴向齿厚mm
4.4.2涡轮
31
涡轮齿数£=;
dr31155
涡轮分度圆直径，二mZ，二5=
涡轮喉圆直径d屯心2床15525=165mm；
143
mm；
d_155
涡轮齿根圆直径f：
-d:
2hf2—~2
涡轮咽喉圆半径
4・5校核齿根圆弯曲疲劳强度
did2m
当量齿数
Z232L
cos
讥3OS吆坍7
根据=—0.5,
227
zS3・487,从图11-19中可查得齿形系数Y-=3.
飞571c
Yb=110.9592
140140
螺旋角系数
1：
rFI-FIKFN
从表11-8中可查得由ZCuSnlOPl制造的涡轮的基本许用弯曲应力匕〃=56MPa。
0
K—9口二=0.937
寿命系数4810
L「F-560.937=52.472MPa
丁，531.05295668
匚f3.270.9592=36.118MPa
501655
所以弯曲强度是满足的。
5倾斜轴的设计
5.1选取轴的材料
选45钢调质处理，由表15-1可查
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